DE102008060972A1 - Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Hybridfahrzeug mit Verbrennungs- und mindestens einem Elektromotor, gekennzeichnet durch Verwendung mehrerer Verbrennungsmotoren unterschiedlicher Leistung für den Fahrzeugantrieb, die entsprechend des augenblicklichen Leistungsbedarfs des Fahrzeuges einzeln oder in Gruppen oder gemeinsam jeweils für sich in ihrem Bereich minimalen Treibstoffverbrauchs betrieben werden, wobei sie durch Umlaufrädergetriebe oder Vorgelege oder Kombination beider miteinander verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug, also ein solches, dessen Antrieb mittels verschiedener Motoren mit dem Ziel der Treibstoffverbrauchsminderung erfolgt, womit auch die Reduzierung von Emissionen (CO2, NOx, Partikel und Lärm) verbunden ist. Nebenziele sind Komfortsteigerung, Nutzungserleichterungen (Entfall des Kupplungspedals, automatisches Getriebe) und „Fahrspaß”, auch kurze Fahrten rein elektrisch (Zero Emission Vehicle) oder die gelegentliche Anwendung eines Hybridfahrzeuges als Elektroaggregat sind möglich und erwünscht.
  • Als Maßnahmen zur Zielerreichung gelten:
    • • Start-Stopp im Stand
    • • Start-Motor-Stopp in Fahrt, „Segeln”
    • • Rekuperatives Bremsen, also die Rückspeisung kinetischer oder potentieller Energie des Fahrzeuges in einen (elektrischen) Speicher, das bedeutet zugleich verschleißfreies Bremsen
    • • Vermeidung des verbrauchsungünstigen Teillastbetriebs des Verbrennungsmotors indem dieser im günstigeren Volllastbereich betrieben wird und nur ein Teil der Leistung dem Fahrantrieb dient während die Überschussleistung in den (elektrischen) Speicher fließt („Teillastanhebung”).
  • Mittel hierzu werden gesehen in der Anwendung einer oder mehrerer Elektrischer Maschine(n), die meist sowohl als Motor und als Generator wirken können und einem oder mehreren elektrischen Speichern wie Akkumulatoren und Doppelschichtkondensatoren (Ultra Caps) neben üblichen, modernen Verbrennungsmotoren (VM) nach dem Otto- oder Dieselprinzip. Auch die Speicherung kinetischer Energie in Form der Fahrzeugbewegung oder in Schwungrädern findet Anwendung.
  • Gegenwärtige Hybridentwicklungen sind vorwiegend auf leistungsstarke Fahrzeuge der oberen Ausstattungsklasse gerichtet. Ein Grund sind die Kosten der Hybridkomponenten Elektrische Maschine(n) und Batterie. Bei hohem Fahrzeugpreis fallen sie relativ weniger ins Gewicht. Wegen des Flottenverbrauches sollten aber auch oder gerade kleinere Fahrzeuge mit großem Anteil am Bestand oder Verkaufspotential Hybrideigenschaften erhalten. Das geht nur mit einfachen und klaren technischen Lösungen nach einem Abwägen der Einsparungspotentiale im Vergleich zu den Aufwendungen. Für die folgenden Überschlagsrechnungen wird ein Fahrzeug mit 50 kW Ottomotor, Fahrmasse 1500 kg angenommen.
  • Oft wird das rekuperative Bremsen als Hauptgrund für Treibstoffeinsparungen genannt. Dessen Potentiale (theoretische Obergrenze) sind jedoch gering und/oder kaum nutzbar: Beim Herunterbremsen von 100 auf 50 km/h werden 0,43 MJ frei, Grenzen zieht die erforderliche Bremsleistung der elektrischen Maschine je nach Bremsintensität, die wesentlich vom Fahrstil abhängt („Vorausschauendes Fahren”). Eine Gefällebremsung bei 400 m Höhenunterschied hingegen setzt 5,9 MJ in Wärme um. Diese Energie ist in 0,187 l Benzin.
  • Das größte Potential für Treibstoffeinsparung liegt aber im Betrieb des VM nahe oder im Bereich des Verbrauchsminimums seines Kennfeldes („Bestpunkt”). Ein Motor der für eine halbe Stunde im Stadtverkehr (erforderlich sind 3,5 kW) in einem um (nur) 75 g/kWh ungünstigeren Betriebspunkt läuft, hat einen um 3,5 kW·75 g/kWh·0,5 h 135 g höheren Verbrauch, äquivalent 0,185 l Benzin. Würde dieser ungünstigere Betrieb vermieden, bliebe diese Treibstoffmenge real im Tank – im Gegensatz zu dem Gewinn durch Rückspeisung bei einer Gefällefahrt mit zwei elektrischen Umwandlungen sowie je einem Lade- und Entladevorgang. Wenn für jede dieser 4 Wandlungen der hohe Wirkungsgrad von 0,9 angesetzt wird, bleiben 0,94 = 0,66 als Gesamtwirkungsgrad. Nun sind Gefällefahrten nicht zu vermeiden und wenn etwas zurückfließt wird es angenommen. Jedoch sollte die oben genannte „Teillastanhebung” mit der gleichen Wirkungsgradkette nicht als eine technisch, wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Lösung gewertet werden.
  • Als Mittel zur Vermeidung ungünstiger Betriebspunkte wurden – neben den generellen Entwicklungen zur Verbesserung der VM-Zylinderabschaltungen vorgeschlagen und auch realisiert. Diese haben den Nachteil, dass die Reibleistung der ungefeuerten Zylinder aufzubringen ist, was den Effekt schmälert. Es wurde auch vorgeschlagen, gewissermaßen einen großen Motor zu halbieren und bei Bedarf im Betrieb wieder so zusammenzusetzen, dass Massenausgleich und Zündfolge dem großen Motor entsprechen ( DE 35 22 988 ).
  • Andere Vorschläge mit anderen Zielstellungen für Schiffe, Fahr- und Flugzeuge beziehen sich auf die Zusammenführung der Leistung mehrerer gleicher Motoren mittels Differentialgetrieben ( GB 154981 ) oder auf die Addition der Leistung eines Hubkolben- mit der eines Kreiskolbenmotors mittels Planetengetriebe ( DE 2610 098 ). Zur Vermeidung des Leerlaufes wurden Start-Stopp-Automatiken gebaut, allerdings wurde ihr Einsatz meist nur im Stand des Fahrzeuges vorgesehen. Inzwischen gibt es eine Reihe von Hybridfahrzeugen, je nach Transportaufgabe mit verschiedener Struktur: Serielle, parallele, milde usw. Typen. Ihnen gemeinsam sind die Betonung der elektrischen Komponenten für den Antrieb und die Vorstellung durch sie erhebliche Treibstoffeinsparungen, Emissionssenkung und Verbesserung der Fahrdynamik zu erreichen, allerdings sind ihr Preis und ihr Gewicht deutlich höher als der der nichthybriden Vergleichsmodelle. Andererseits haben die umfangreichen Untersuchungen zu Treibstoffverbrauchsenkungen und Hybridfahrzeugen auch die Erwartungen relativiert und es werden selbst Einsparungen bei Nebenaggregaten wie Klimaanlagen, Servolenkungen, Treibstoffpumpen, Lichtmaschinen usw. angestrebt, wobei der Elektrizität als vorrangiger oder möglichst alleiniger Hilfsenergie in Verbindung mit einem vorausschauenden Energiemanagement hohe Bedeutung zugemessen wird. Vor allem die Vereinigung von Startermotor und Generator zu einer Elektrischen Maschine (EM) größerer Leistung und besserem Wirkungsgrad wurde intensiv betrieben, weil sie neben weiteren Vorteilen Start-Stopp-Betrieb erleichtert. Allerdings benötigt sie in der Bauform des sog. Kurbelwellenstartgenerators (KSG) [1] wegen der Anordnung direkt auf der Kurbelwelle sehr hohe Starterströme, was besondere Aufwendungen erfordert. Deshalb orientieren weitere Entwicklungen auf EM, die über Vorgelege mit der VM-Kurbelwelle verbunden sind und so kleiner dimensioniert werden können [2, bes. S. 30 ff.]. Stand der Technik ist auch die Verwendung üblicher Kupplungen über das kurzfristige Trennen zum Anfahren und Schalten hinaus zum längerfristigen Trennen für die Darstellungen bestimmter Hybridfunktionen. Auch das Starten der VM durch „Impuls”- oder „Schwung”-Start mittels kinetischer Energie aus Schwungrädern oder der kinetischen Energie des rollenden Fahrzeuges ist Stand der Technik.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hybrid-Struktur zu finden, die es ermöglicht,
    • • im überwiegenden Zeitanteil den VM-Antrieb im/nahe am Verbrauchsminimum zu betreiben,
    • • wenn keine Leistung abgerufen wird, den Antrieb still zu setzen, dies sowohl in Fahrt als auch im Stand,
    • • zur Verzögerung den Antrieb als verschleißfreie Bremse zu nutzen und möglichst auch Bremsenergie zwischenzuspeichern,
    • • die vielfältigen Betriebszustände weitgehend zu automatisieren und
    • • die technische Lösung ohne wesentlichen Masse- und Raumanspruch bereits für die Kleine Klasse von Fahrzeugen zu einem akzeptablen Preis darzustellen.
  • Angenehme Zusatzleistungen wären: Zero-Emission-Betrieb im Wohngebiet oder im Stau, Getriebe- und Kupplungsautomatik. Die Möglichkeit der Hochskalierung auf größere Fahrzeuge bis zu LKW ist ebenso vorgesehen wie die Gestaltung der Komponenten als multivalente Module eines Baukastens („Add-Ins”).
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe so gelöst, dass mit einer kaskadenartigen oder sonst geeigneten Anordnung von mehreren, auch verschiedenartigen VM (Otto-, Diesel- und hier als VM eingeschlossen – Stirling- und Dampfmotoren) unterschiedlicher Leistung für Bereiche von Fahrzuständen (Geschwindigkeit, Beladung) jeweils die passende Motorleistung bereitgestellt wird. Da die erforderliche Leistung mit der dritten Potenz der Fahrgeschwindigkeit steigt, sind sehr unterschiedliche Leistungen erforderlich. Es ist zweckmäßig, die Motorleistungen nach den üblichen Geschwindigkeitsbereichen zu staffeln. So erreicht man in der Ebene bei Windstille und unbeschleunigt mit der betrachteten Fahrzeugklasse 30 km/h mit 2 kW, 100 km/h mit 15 kW, 165 km/h mit 50 kW. Wird auf drei Motoren beschränkt, ergeben sich 23 = 8 verschiedene Leistungsstufen. Es ist zweckmäßig, den Starter-Generator auch als Fahrantrieb der niedrigsten Leistungsstufe zu nutzen. Mit drei VM und einer EM wären 24 = 16 Leistungsstufen möglich.
  • Dabei werden die Leistungen der Motoren so zusammengeführt/addiert, dass sie sowohl einzeln als auch gemeinsam wirken können.
  • So können die Motoren über Vorgelege (Zahnräder, Riemen, Kupplungen) auf eine Welle wirken. Der Leistungsfluss ist direkt und starr. Eine Variante ist die Verteilung der verschiedenen Leistungen auf verschiedene Fahrzeugachsen, wobei noch ein „Allrad”-Effekt erzielt wird. Das Trennen jeder der Motoren von der Welle oder Achse erfordert je eine Kupplung oder Schaltmuffe. Das Zusammenwirken der Teilmotoren setzt voraus oder erzwingt gleiche Drehzahlen oder Drehzahlverhältnisse. Addiert werden die Drehmomente, bzw. bei Allrad die Zugkräfte.
  • Mehr Flexibilität bietet die Verwendung von Umlaufrädergetrieben (Differentialgetriebe, Planetengetriebe). Diese addieren die Winkelgeschwindigkeiten (Drehzahlen), sie setzen voraus oder erzwingen gleiche Drehmomente oder Drehmomentverhältnisse der Teilmotoren. Planetengetriebe können Kupplungsfunktionen übernehmen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In den zughörigen Zeichnungen zeigen die 1 und 2 eine Lösung mit Planetengetrieben, 3 die Verwendung von Planetengetriebe und Vorgelege, 4 die ausschließliche Verwendung von Vorgelegen und 5 erläutert die 4-Quadranten-Symbolik.
  • Bei der in 1 und 2 dargestellten Ausführung wirken die Motoren EM (Elektrische Maschine, also Motor-Generator), kleiner VM1 und großer VM2 über zwei Planetengetriebe PG1 und PG2 auf die Transmission Tr, zweckmäßig in der Form eines üblichen, automatisch schaltenden, vielstufigen Zahnradschaltgetriebes mit Neutralstellung, Rückwärtsgang und Ausgleichsgetriebe auf die Räder, es ist aber auch die Verwendung eines Kegelscheiben-Schubkettengetriebes (CVT) oder eines handgeschalteten konventionellen Getriebes möglich. Mindestens eine Kupplung K1 oder K2 liegt im Strang. Fahrzeug-/Feststellbremsen FB an den Rädern und Haltebremsen HB halten zugehörige Wellen in bestimmten Zuständen fest. Die Elektrische Maschine (fähig zu Vierquadrantenbetrieb) hat nur eine geringe Leistung, sie dient als Starter, als Generator für die Versorgung aller Hilfsenergien, in geringem Maße zum rekuperativen Bremsen, für ZEV-Betrieb und mit ihrem Trägheitsmoment auch als Schwungradspeicher. Entsprechend gering kann der Aufwand für die möglichst konventionelle Batterie sein. Ein Schwungrad SR kann auch zusätzlich angeordnet sein, es wird mittels einer bei hohen Drehzahldifferenzen schlupfenden Kupplung K3 zugeschaltet. Auch der Klimakompressor KK kann über die EM mechanisch angetrieben werden, vorzugsweise mechanisch aus dem Triebstrang im VM-Betrieb, in Verzögerungsphasen aus der kinetischen, im Gefälle aus der potentiellen Energie des Fahrzeuges oder im Sonderfall von der EM elektrisch. Die Hülllinie NB markiert den „Nassbereich”. Die Trockenkupplung K1 kann beim konventionellen Motor VM2 bleiben.
  • Mit dieser Anordnung sind alle notwendigen und weiteren Zustände beim Halten, Starten im Stand, Starten unter Bewegung, Anfahren, Beschleunigen, Fahren, Rollen ohne Antrieb oder Verzögerung („Segeln”), Verzögern (mit Rekuperation), Bremsen (Gefahr, Festhalten) und Schalten eines Fahrzeuges realisierbar. Das Zusammenspiel aller Elemente übernimmt eine Steuerung mit bekannter Sensorik (Temperatur, Drehzahlen, Fahrgeschwindigkeit) und Aktorik (gesteuerte Trockenkupplung, gesteuerter Gangwechsel, Lösen und Sperren der Drehmomentstützen der Planetengetriebe („Haltebremsen”)). Für diese empfiehlt sich, auf die in Automatikgetrieben üblichen öldruckbetätigten Lamellenbremsen wegen der Leistungszehrenden Hydraulik zu verzichten und eine Kombination einer Rücklaufsperre (umgekehrter Freilauf) mit einem gesteuerten Formschluss (Klinke) zu verwenden wenn die Haltebremse nur im Stillstand betätigt werden kann.
  • Als ein Vorgang sei das Segeln bei hoher Geschwindigkeit und Wiederstarten der VM beschrieben: Im Autobahngefälle wird Gas weggenommen, die VM bremsen, EM wird als Generator gezogen (4. Quadrant, siehe 5), Kupplung K1 öffnet, die VM gehen aus und EM rotiert frei/aus. Wird wieder Gas gegeben läuft EM als Motor (1. Q.) an, beschleunigt und K1 schließt langsam, wonach je nach Fahrgeschwindigkeit und Leistungsanforderung VM1 oder VM2 nach Lösen der Haltebremsen starten. EM wird angetrieben und wirkt als Generator (2. Q.). Soll auch VM1 {VM2} (Vollleistung) gestartet werden, wird EM im 2. Q. als Generator besonders hoch erregt (und evtl. VM2 {VM1} kurz gedrosselt) und somit VM1 {VM2} angerissen. Beim gleichzeitigen Betrieb der VM müssen die Drehmomentverhältnisse der Motoren gleich sein, was durch das Motormanagement realisiert wird. Die Lösung von 1 bietet den Vorteil, dass der gesamte Geschwindigkeitsbereich in nur wenigen Gangstufen gefahren werden kann, bzw. dass die Gesamt-Spreizung des Stranges erhöht wird.
  • Der Fahrer gibt seine Anforderungen über das Fahr- und das Bremspedal. Es ist vorteilhaft, den Fahrzustand „Verzögern” mittels zusätzlicher, kleiner, feinfühliger, handfreundlicher Handhaben am Lenkrad oder in Lenkradnähe im Gegensatz zum Bremspedal zu steuern. 2 wiederholt die 1 mehr schematisch und verdeutlicht die Anbindung von Schwungrad und Klimakompressor, beide optional.
  • Die 3 zeigt eine Lösung mit Planeten- und Vorgelegegetriebe. Anordnung von Schwungrad und Klimakompressor bei der EM wie in 2.
  • Vorgang Start der VM1 im Fahrzeugstand: Eingelegter Gang, FB fest, K1 geschlossen, K2 offen, EM geht in 3. Q. und startet VM1, K1 öffnet, VM1 läuft hoch, danach Anfahren durch Schließen von K1.
  • Vorgang Start der VM2 im Stand: Tr in Neutralstellung, K1 und K2 geschlossen, EM geht in 1. Q. und startet direkt unter Nutzung der Übersetzung des PG oder nach offener K2 mit Unterstützung des Schwungrades SR nach langsamem Schließen von K2. Als Drehmomentstütze genügt bei VM1 eine Rücklaufsperre. Anfahren aus dem Stand mittels der Kupplungen K1 oder K2. Beim „Segeln” oder Verzögern aus hoher Geschwindigkeit ist K1 geschlossen, K2 geöffnet, VM1 und VM2 sind aus, EM läuft leer mit, zum Verzögern Übergang in den 4. Q. Generatorbetrieb mit stellbarer Erregung. In Maßen ist ein Treiben im 1. Q. möglich. Starten von VM2 während der Fahrt durch Schließen von K2. Zusätzliches Starten von VM1 während der Fahrt durch Übergang von EM in 2. Q. mit hoher Erregung. Das Planetengetriebe bietet automatisiertes Anfahren aus dem Stand mit Zusatznutzen der Übersetzung von EM auf das Vorgelege. Der untere Geschwindigkeitsbereich ist ohne Gangwechsel fahrbar.
  • 4. zeigt eine Lösung ausschließlich mit Vorgelege, wobei zum Treiben der EM ein zusätzlicher Radsatz erforderlich ist. Alle oben beschriebenen Fahrzustände sind möglich. Die VM laufen bei geschlossenen Kupplungen K1 und K2 mit gleicher Drehzahl, Haltebremsen sind unnötig. Die EM arbeitet nur im 1. und 4. Quadranten. Zum Durchlaufen des Geschwindigkeitsbereiches ist üblich-häufiges Schalten nötig und eine größere Spreizung des Getriebes Tr wünschenswert (höhere Gangzahl).
  • Gegenüber heute realisierten oder diskutierten Hybridstrukturen haben die Lösungen den Vorteil, dass die Anzahl der Energiewandlungen bei hoher Leistung geringer, dass die Komponenten für die hohen Leistungsanteile (Verbrennungsmotoren, Planetengetriebe, Schaltgetriebe) mechanisch, also meist mit hohem Wirkungsgrad, üblich und bewährt (Energiespeicher: Flüssiger Treibstoff plus Tank, konventionelle Batterie) sowie bei den Kennziffern Preis (EUR/kWh, EUR/kW), Energiedichte (kWh/m3), spezifische Energie (kWh/kg), spezifische Leistung (kW/kg), beim package, im know how (Herstellung und Wartung!) und bezüglich vorhandener und weiterverwendbarer Produktionsmittel überlegen sind.
  • VM mit gleichem Treibstoff können aus einem Tank, mit einer Treibstoffpumpe und einem Filter versorgt werden. Anteilige Gemeinsamnutzung der Auspuffanlage und des Katalysators ist denkbar. Auch die Schmiersysteme können dergestalt verbunden werden, dass bei Stillstand eines VM dieser vom laufenden VM mit dessen Überschuss-Ölstrom vorgeschmiert und temperiert wird.
  • Ein sparsames Hybridfahrzeug wird weniger Abwärme erzeugen. Deshalb sind spezielle Maßnahmen für das Kühlsystem vor allem des/der kleineren VM nötig, so z. B. Wärmedämmung des Motorblocks und Verdampfungskühlung, die auch Thermostate und Kühlmittelpumpe überflüssig macht; auch die Verbindung der Kühlsysteme aller eingebauten VM ist vorteilhaft.
  • Literatur:
    • [1] Kurbelwellenstartgenerator (KSG)-Basis für zukünftige Fahrzeugkonzepte Hsg.: Krappel, A. 2. Aufl. Renningen-Malmsheim: expert-Verl., 2000
    • [2] Integrierter Starter-Generator (ISG) Hsg.: Steinmetz, E. Renningen-Malmsheim: expert-Verl., 2001
  • Bezugszeichen und Abkürzungen
    1 Verbrennungsmotor 1 VM1
    2 Verbrennungsmotor 2 VM2
    3 Elektrische Maschine EM
    4 Planetengetriebe 1 PG1
    5 Planetengetriebe 2 PG2
    6 Transmission Tr
    7 Kupplung 1 K1
    8 Kupplung 2 K2
    9 Kupplung 3 K3
    10 Fahrzeug/Feststellbremse FB
    11 Haltebremse/Drehmomentstütze HB
    12 Schwungradspeicher SR
    13 Klimakompressor KK
    14 Hülllinie um Nassbereich NB
    15 Vorgeleg
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 3522988 [0007]
    • - GB 154981 [0008]
    • - DE 2610098 [0008]

Claims (6)

  1. Hybridfahrzeug mit Verbrennungs- und mindestens einem Elektromotor, gekennzeichnet durch Verwendung mehrerer Verbrennungsmotoren unterschiedlicher Leistung für den Fahrzeugantrieb, die entsprechend des augenblicklichen Leistungsbedarfs des Fahrzeuges einzeln oder in Gruppen oder gemeinsam jeweils für sich in ihrem Bereich minimalen Treibstoffverbrauchs betrieben werden, wobei sie durch Umlaufrädergetriebe oder Vorgelege oder Kombination beider miteinander verbunden sind.
  2. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in Hand- oder Lenkradnähe angeordnete Verzögerungs-Bedienungselemente hoher Feinfühligkeit.
  3. Hybridfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch gemeinsame Treibstofftanks, -filter und -pumpen der Verbrennungsmotoren.
  4. Hybridfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch verbundene Kühlsysteme der Verbrennungsmotoren.
  5. Hybridfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch verbundene Schmiersysteme der Verbrennungsmotoren.
  6. Hybridfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Verbrennungsmotoren und Getriebe als normierte Komponenten – Module eines Baukastensystems – in vorhandene Fahrzeugmodelle eingefügt werden.
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